Het begrijpen en beheersen van hoe het diffusieproces op atomaire schaal werkt, is een belangrijke vraag bij de synthese van materialen. Voor nanodeeltjes, de stabiliteit, maat, structuur, samenstelling, en atomaire ordening zijn allemaal afhankelijk van de positie in het deeltje, en diffusie beïnvloedt beide al deze eigenschappen en wordt erdoor beïnvloed. Een grondiger begrip van de mechanismen en effecten van diffusie in nanokristallen zal helpen om gecontroleerde synthesemethoden te ontwikkelen om de specifieke eigenschappen te verkrijgen; echter, conventionele methoden voor het bestuderen van diffusie in vaste stoffen hebben allemaal beperkingen.

Gezien de behoefte aan beeldvormingstechnieken die gevoelig zijn voor langzamere dynamiek en waarmee het diffusiegedrag in individuele nanokristallen kan worden onderzocht op atomaire schaal en in drie dimensies (3-D), een team van onderzoekers gebruikte de spanningsgevoeligheid van Bragg coherente diffractiebeeldvorming (BCDI) om de diffusie van ijzer in individuele gouden nanokristallen in situ bij verhoogde temperaturen te bestuderen. Hun werk is onlangs gepubliceerd in de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde .

Diffusie in vaste stoffen meten

Directe methoden voor het bestuderen van diffusie in vaste stoffen (zoals mechanische en sputterprofilering, secundaire ionenmassaspectrometrie, en elektronenmicrosondeanalyse) leveren slechts een macroscopische hoeveelheid op, de diffusiecoëfficiënt. Indirecte methoden (zoals quasielastische neutronenspectroscopie en Mössbauer-spectroscopie) kunnen microscopische informatie verschaffen over het diffusieproces, maar zijn beperkt tot een beperkt aantal isotopen en relatief snelle diffusiewaarden. Bestaande methoden voor diffusiestudies in vaste stoffen hebben ook de neiging om signalen over een aantal structuren te middelen, maar in nanokristallen is de heterogeniteit van monsters significant en kan deze de resultaten beïnvloeden. Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) maakt het mogelijk diffusie te bestuderen in individuele nanodeeltjes, maar is beperkt tot dunne monsters ( <100 nm) en de noodzakelijke monstervoorbereiding kan destructief zijn.

Het vermogen van BCDI om spanning in 3D in individuele nanokristallen af ​​te beelden is buitengewoon nuttig en zeer nieuw. Deze ontwikkelingstechniek maakt gebruik van coherente röntgenstralen, waarmee spanning binnen individuele nanokristallen in 3D in kaart kan worden gebracht. Onderzoekers meten het diffractiepatroon van het kristal, en gebruik vervolgens iteratieve fase-ophaalalgoritmen om de 3D-structuur van het kristal in de echte ruimte te reconstrueren. De gereconstrueerde elektronendichtheid bestaat uit grootte (meestal amplitude genoemd) en fase, die overeenkomen met de kristalmorfologie en stam. De spanningsgevoeligheid van BCDI kan worden gebruikt om de diffusie van atomen in een nanokristal te onderzoeken, aangezien wordt verwacht dat diffusie meetbare roostervervormingen veroorzaakt.

BCDI van goud-ijzer nanodeeltjes

In dit onderzoek, een team van onderzoekers van University College London, Londen, Brookhaven National Laboratory in de VS, Diamond en het onderzoekscomplex in Harwell gebruikten BCDI op de I07-bundellijn om het 3D-diffusiegedrag in een goud-ijzerlegering te onderzoeken. Gouden nanodeeltjes hebben interessante optische eigenschappen, en hun oppervlak kan worden afgestemd op specifieke functies. Hun biocompatibiliteit maakt ze een voor de hand liggende keuze voor medische toepassingen. IJzer kan worden gebruikt om interessante magnetische eigenschappen in nanodeeltjes te introduceren, echter, het is gevoelig voor oxidatie en heeft een hoge celtoxiciteit in een medische context.

Goud-ijzer nanodeeltjes bieden een materiaal met zowel magnetische als optische eigenschappen dat zowel biocompatibel is als beschermd tegen oxidatie. Ze hebben potentiële medische toepassingen in magnetische resonantie beeldvorming, hyperthermie, en gerichte medicijnafgifte.

Het team mat het diffractiepatroon van individuele gouden nanokristallen als functie van temperatuur en tijd, voor en na ijzerafzetting. Ze gebruikten algoritmen voor het ophalen van fasen om reële ruimtereconstructies van de nanokristallen te verkrijgen, het observeren van legeringen van ijzer met goud bij monstertemperaturen van 300-500°C en het ontbinden van ijzer uit goud bij 600°C. Ze ontdekten dat het volume van het gelegeerde gebied in de nanokristallen toenam met de ijzerdosering. Hun resultaten suggereerden dat de monsters relatief snel een evenwicht bereikten na ijzerafzetting, en de resulterende faseverdeling binnen de gouden nanokristallen na de ijzerafzettingen suggereert een samentrekking als gevolg van diffusie van ijzer.

Deze studie demonstreert het nut van BCDI voor het bestuderen van 3D-diffusie- en legeringsgedrag in individuele nanokristallen op atomaire schaal. Het onderzocht met succes de veranderingen in de structuur van individuele gouden nanokristallen als gevolg van diffusie van en legering met ijzer, bij verschillende temperaturen en metaaldoses, met picometer-rekresolutie.

Hoofdauteur Ana Estandarte voegt toe:"BCDI is een techniek die kan worden toegepast op een breed scala aan materialen en het vermogen om de 3D-spanning in materialen op atomaire schaal tijdens dynamische processen niet-destructief te onderzoeken, is krachtig. veranderingen in de nanokristallen tijdens diffusie in deze studie, we willen de techniek in de toekomst toepassen om processen in batterijmaterialen te onderzoeken."